Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и анализ проблемы совершенствования технологии восстановления шеек коленчатых валов судовых дизелей технологическими методами и задачи исследования 12
1.1. Влияние конструктивных факторов подшипников и условий работы коленчатых валов судовых дизелей на их долговечность .12
1.2. Причины отказов и дефекты коленчатых валов судовых дизелей .25
1.3. Влияние износа шеек коленчатых валов на долговечность и эксплуатационные характеристики судовых дизелей дизеля 27
1.4. Технологические методы восстановления и повышения износо- и задиростойкости шеек коленчатых валов судовых дизелей 30
1.5. Выводы и постановка цели и задач исследования 36
2. Программа и методики проведения исследования .39
2.1. Программа исследований 39
2.2. Методика определения геометрических параметров шеек коленчатого вала.41
2.3. Методика использования регрессионного анализа и планирования экспериментов 42
2.4. Определение триботехнических свойств материалов 45
2.5. Методика исследования механических свойств покрытий на макро- и наноуровне 50
2.6. Методики исследований структуры и топографии поверхностей трения шеек коленчатых валов и покрытий, рентгенофазного анализа покрытий 54
3. Экспериментально-теоретическое обоснование упрочнения шеек коленчатых валов нанесением износостойких покрытий .56
3.1. Структура отказов коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей .56
3.2. Особенности изнашивания шеек коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей .60
3.3. Обоснование путей повышения долговечности коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей .67
3.4. Системное проектирование технологического процесса упрочнения шеек коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей 71
3.5. Обоснование выбора материала и способа его нанесения для повышения износостойкости трибосопряжения «шейка вала – вкладыш подшипника» .80
3.6. Разработка механизма формирования износостойкого металлокерамического покрытия на шейке вала .88
4. Исследование свойств износостойких покрытий и выбор оптимальных технологических параметров их нанесения .93
4.1. Исследование влияния твердости шеек коленчатого вала и типа антифрикционного покрытия на износостойкость трибосопряжения 93
4.2. Выбор оптимальных параметров модифицирования шейки вала металлосилоксановыми полимерами, минеральными и органоминеральными материалами .97
4.3. Исследование влияния состава минеральных и органоминеральных материалов, используемых для модифицирования шейки вала, на триботехнические свойства сопряжения 101
4.4. Влияние температуры смазки на триботехнические свойства износостойких покрытий 117
4.5. Исследование влияния химического состава минеральных и органоминеральных материалов на топографию и состав поверхности трения шейки вала после ее модифицирования 123
4.6. Влияние механических свойств композиционных покрытий на износостойкость трибосопряжения .131
4.7. Выводы 139
5. Проектирование технологического процесса восстановления коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей с модифицированием шеек износостойкими материалами 140
5.1. Технологический процесс восстановления коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей с упрочнением шеек 140
5.2. Прогнозирование ресурса коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей, упрочненных нанесением композиционного покрытия 143
5.3. Экономическая эффективность восстановления коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей с нанесением композиционного покрытия 145
Основные выводы и результаты 146
Список литературы
- Влияние износа шеек коленчатых валов на долговечность и эксплуатационные характеристики судовых дизелей дизеля
- Методика использования регрессионного анализа и планирования экспериментов
- Особенности изнашивания шеек коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей
- Выбор оптимальных параметров модифицирования шейки вала металлосилоксановыми полимерами, минеральными и органоминеральными материалами
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Ресурс судового дизеля до капитального ремонта зависит в основном от состояния кривошипно-шатунного механизма, а коленчатый вал — главное звено этого механизма. Коленчатые валы принадлежат к наиболее ответственным деталям двигателей и эксплуатируются в условиях переменных нагрузок. Шейки вала подвержены трению скольжения при больших скоростях и высоких удельных давлениях. Коленчатый вал — одна из важных дорогостоящих деталей двигателя (его стоимость составляет более 10 % стоимости всего двигателя) - в значительной степени определяет его ресурс.
Наиболее характерными дефектами коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей (СОД) являются: износ и задиры шеек, деформации, коррозия и др. Основной причиной отказов коленчатых валов двигателей является износ шеек. Преждевременный износ рабочих поверхностей коленчатых валов выше предельных значений ведет, как правило, не только к значительным затратам на ремонт или замену коленчатых валов, но и к убыткам из-за простоя судна в ремонте, а выход из строя главного двигателя при поломке коленчатого вала может привести к аварии судна. Из-за повышенных скоростей изнашивания рабочих поверхностей коленчатые валы часто эксплуатируются шлифованными в последний ремонтный размер, или выбраковываются из-за износа выше предельных значений, не выработав при этом назначенного ресурса.
Повышенный износ и отклонения формы шеек вала от цилиндричности вследствие неравномерного изнашивания иногда приводит к проворачиванию вкладышей. В результате этого происходит деформация или поломка коленчатого вала, задир шеек или образование трещин на поверхностях трения, что значительно увеличивает стоимость ремонта.
Существующие технологические процессы (ТП) восстановления не обеспечивают требуемую долговечность коленчатых валов, так как при их проектировании не учитываются комплексно технологические особенности методов нанесения покрытий и упрочнения, их технико-экономические показатели, а также условия эксплуатации деталей. Необеспечение требуемых показателей долговечности восстановленных коленчатых валов предопределяет необходимость совершенствования ТП их восстановления, выбора критериальных параметров поверхностного слоя деталей, а также оценки долговечности восстановленных валов в зависимости от полученных параметров материала поверхностного слоя.
Степень разработанности. На основании выполненных исследований разработан и апробирован технологический процесс упрочнения коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей.
Целью работы является повышение эффективности технической эксплуатации судовых СОД путем применения технологического процесса восстановления коленчатых валов с упрочнением шеек, позволяющего получить оптимальный комплекс параметров материала износостойкого покрытия и обеспечить требуемую их долговечность при приемлемой экономической эффективности.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Установлены особенности условий эксплуатации, виды, причины и последствия отказов коленчатых валов СОД.
2. Проведено дальнейшее развитие методики системного проектирования технологического процесса модифицирования шеек коленчатых валов и формирования тонкопленочного износостойкого покрытия, включающего оптимизацию параметров режимов упрочнения, выбор минеральных и органоминеральных материалов для упрочнения рабочих поверхностей шеек коленчатых валов, прогнозирование долговечности и оценку экономической эффективности технологических решений.
3. Исследовано влияние твердости шеек коленчатого вала и технологии формирования антифрикционного слоя вкладышей на триботехнические свойства сопряжения «сталь 45 – антифрикционный слой вкладыша подшипника», а также определены его критериальные параметры, обеспечивающие высокие свойства сопряжения.
5. Исследовано влияние химического состава минеральных и органоминеральных материалов на механические и триботехнические свойства, состав и топографию покрытия шеек коленчатого вала.
6. Исследовано влияние параметров модифицирования шеек коленчатых валов металлосилоксаном на триботехнические свойства пары трения «сталь 45 – износостойкое покрытие – антифрикционный слой вкладыша подшипника» для определения оптимального режима.
7. Исследовано влияние температуры смазки на триботехнические свойства пар трения «сталь 45 – антифрикционный слой вкладыша подшипника» и «сталь 45 – износостойкое покрытие – антифрикционный слой вкладыша подшипника».
8. Исследовано влияние механических параметров и топографии покрытия шеек коленчатого вала на триботехнические свойства сопряжения «шейка вала–вкладыш подшипника».
9. Разработан и внедрен в производство ТП восстановления и упрочнения коленчатых валов СОД путем шлифования на ремонтный размер и нанесения износостойкого композиционного покрытия на шейки.
Научная новизна
1. Установлена структура отказов коленчатых валов судовых главных и вспомогательных среднеоборотных дизелей, работающих на тяжелых и легких сортах топлива.
2. Установлено влияние твердости вала и технологии формирования антифрикционного слоя вкладыша на триботехнические свойства трибоузла «шейка вала – вкладыш подшипника».
3. Разработана методика системного проектирования технологического процесса модифицирования шеек коленчатых валов судовых СОД при их восстановлении, которая включает: выбор минеральных и органоминеральных материалов для упрочнения рабочих поверхностей шеек коленчатых валов, оптимизацию параметров режимов модифицирования шеек, прогнозирование долговечности и оценку экономической эффективности.
4. Определены критериальные параметры композиционного покрытия шеек коленчатых валов судовых СОД, обеспечивающие высокие триботехнические свойства сопряжения «сталь 45 – антифрикционный слой вкладыша подшипника».
5. Получены математические зависимости влияния режима модифицирования шеек коленчатых валов металлосилоксаном на скорости изнашивания шеек вала и вкладыша подшипника.
6. Установлено влияние химического состава минеральных и органоминеральных материалов на механические и триботехнические свойства и топографию покрытия.
7. Разработаны составы композиций полимерминеральных и органоминеральных материалов для модифицирования шеек коленчатых валов судовых СОД.
8. Установлено влияние температуры смазки на триботехнические свойства износостойких тонкопленочных покрытий и трибоузла «шейка вала – вкладыш подшипника».
9. Установлено, что динамическая микротвердость и модуль упругости покрытия шейки вала оказывают существенное влияние на износостойкость трибоузла «шейка вала – вкладыш подшипника». Получены математические зависимости скорости изнашивания шейки коленчатого вала, антифрикционного слоя вкладыша подшипника и трибоузла от механических свойств износостойкого покрытия.
10. Разработан технологический процесс восстановления коленчатых валов судовых СОД с упрочнением шеек.
Теоретическая и практическая значимость работы
Разработана методика проектирования ТП модифицирования шеек коленчатых валов судовых СОД, позволяющая прогнозировать долговечность, которая апробирована при восстановлении коленчатых валов судовых СОД с упрочнением шеек и может найти применение при необходимости повышения износостойкости и обеспечения заданной долговечности деталей машин, работающих в трибоузлах, в которых возникают режимы трения при граничной смазке.
Комплексные исследования формирования композиционных износостойких покрытий и их эксплуатационных свойств, полученные путем модифицирования стали 45 полимерминеральными и органоминеральными материалами, позволили разработать технологический процесс восстановления коленчатых валов судовых СОД с упрочнением шеек, обеспечивающий повышение долговечности и позволяющий снизить затраты судовладельцев на приобретение комплектов вкладышей подшипников, а также получить существенный экономический эффект благодаря повышению надежности трибоузла «шейка коленчатого вала – вкладыш подшипника» и снижению вероятности аварии СОД из-за задира шеек коленчатого вала.
Методология и методы исследования
Проблема повышения износостойкости коленчатых валов судовых дизелей решена на основе применения методологии системного проектирования. С позиции теории управления коленчатый вал представляет собой в системе «технология – подшипник коленчатого вала – эксплуатация» объект исследования, в который входят следующие блоки: входные параметры (технологические, эксплуатационные и помехи); процессы, происходящие в трибосистеме, и выходные параметры.
Экспериментальные исследования выполнены в соответствии со стандартными (планирование эксперимента, регрессионного анализа и др.) и разработанными методиками проведения экспериментальных исследований (триботехнических испытаний и др.). Обработка экспериментальных данных проводилась с помощью методов математической статистики.
Для определения свойств композиционных износостойких металлокерамических покрытий использованы современные методы исследования: наноиндентирования, атомно-силовой микроскопии, сверхвысоковакуумной фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновской дифрактометрии и др.
Положения, выносимые на защиту
– методика проектирования технологии восстановления коленчатых валов судовых СОД на основе системного проектирования, которая включает: выбор минеральных и органоминеральных материалов для упрочнения рабочих поверхностей шеек коленчатых валов, оптимизацию параметров режимов модифицирования шеек, прогнозирование долговечности и оценку экономической эффективности;
– критериальные параметры композиционного покрытия шеек коленчатых валов судовых СОД, обеспечивающие высокие триботехнические свойства сопряжения «сталь 45 – антифрикционный слой вкладыша подшипника»;
– составы композиций полимерминеральных и органоминеральных материалов для модифицирования шеек коленчатых валов судовых СОД;
– математические зависимости скорости изнашивания композиционного покрытия от его механических свойств;
– технологический процесс восстановления коленчатых валов судовых СОД с упрочнением шеек.
Степень достоверности результатов исследования обусловлена применением современных методов исследования состава и свойств материалов и покрытий, подтверждена значительным объемом экспериментальных данных. Результаты аналитических исследований получены с использованием методов математического анализа, теории планирования эксперимента, корреляционно-регресионного анализа и современных систем компьютерной математики (Excel, Matcad и др.). Достоверность результатов подтверждена промышленным апробированием разработанного ТП, а также положительными решениями и рекомендациями по обсуждаемым докладам автора на конференциях и семинарах.
Для сравнения полученных результатов использованы данные, полученные ранее другими исследователями по рассматриваемой тематике; установлено качественное совпадение авторских результатов с результатами, представленными в независимых источниках по данной тематике.
ТП восстановления коленчатых валов судовых СОД с упрочнением шеек методом формирования композиционных покрытий внедрен в ООО НПК «Моринтех» (г. Владивосток).
Апробация работы. Основные результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на: 57-ой международной молодежной научно-технической конференции «Молодежь-наука-инновации» (Владивосток, ноябрь 2009 г.), Научной конференции «Вологдинские чтения» (Владивосток, ноябрь 2010 г.), 58-ой международной молодежной научно-технической конференции, посвященной 120-летию морского образования в Приморском крае (Владивосток, ноябрь 2010 г.), 59-ой международной молодежной научно-технической конференции «Молодежь-наука-инновации» (Владивосток, ноябрь 2011 г.), VII Midzy-narodowej naukowi-praktycznej konferencji «Perspek-tywiczne opracowania s nauk i technikami – 2011» (Przemyl, декабрь 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Современные материалы, техника и технология» (Курск, декабрь 2011 г.), Международном научном форуме студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азитско-Тихоокеанского региона (Владивосток, май 2012 г.), Международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2012» (Одесса, июнь 2012 г.), 60-ой международной молодежной научно-технической конференции «Молодежь-наука-инновации» (Владивосток, сентябрь 2012 г.), IX Мezinаrodni vedecko - praktica konference «Vedecky pokrok na prelomu tysyachalety – 2013» (Praha, июнь 2013 г.), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2013» (Одесса, июнь 2013 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 статьях, в том числе 3 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 186 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 175 наименований и 4 приложения. Работа содержит 12 таблиц и 43 рисунка.
Влияние износа шеек коленчатых валов на долговечность и эксплуатационные характеристики судовых дизелей дизеля
Изменения величин зазоров и овальности шеек вала по мере износа оказывают влияние на работу подшипника (рисунок 1.4) [35]. Установлено, что в подшипниках дизелей 10Д100 минимальная толщина смазочного слоя может уменьшаться от 11,5 мкм при начальных условиях эксплуатации до 5 мкм при предельных зазорах (0,35 мм) и максимальных рекомендуемых в эксплуатации температурах масла (до 67 С). В мотылевых подшипниках дизеля 5Д49 при предельных зазорах (0,35 мм) и максимальных рекомендуемых температурах масла на входе (75 С) средняя минимальная толщина смазочного слоя уменьшается до величин, когда не обеспечивается жидкостное трение в узле. Еще большее уменьшение толщины слоя имеет место в рамовых подшипниках.
В процессе работы двигателя происходит износ шеек вала и вкладышей. Причем износ неравномерен по окружности шейки, в результате чего возникает овальность шеек вала, которая оказывает сложное влияние на характеристики подшипников. В зонах наибольшего износа радиус кривизны поверхности увеличивается, что уменьшает разность радиусов и повышает реакцию смазочного слоя в этой зоне. Одновременно овальность вызывает значительные дополнительные перемещения шейки вдоль линии центров с большими, чем у неизношенного вала, скоростями, что приводит к уменьшению минимальной толщины смазочного слоя. Установлено [35], что с увеличением овальности шеек толщины смазочного слоя во всех измеряемых точках шейки вала уменьшаются (рисунок 1.5).
По мере увеличения овальности рамовых шеек возрастает биение коленчатого вала, которое, в свою очередь, влияет на их износ. Установлено [2], что между износом шеек коленчатых валов и биением есть корреляционная зависимость.
Биение не только увеличивает износ шеек, что в свою очередь еще больше увеличивает биение, но и увеличивает дисбаланс коленчатого вала и вибрацию двигателя, а это ведет к уменьшению усталостной прочности вала.
Образование конусообразности мотылевых шеек ведет к увеличению износа деталей цилиндро-поршневой группы вследствие возрастания непараллельности оси шатуна осям втулки цилиндра и поршня.
Таким образом, износ шеек вала вызывает ухудшение условий работы подшипников и всей цилиндро-поршневой группы, поэтому величины овальности и конусообразности следует ограничивать. Однако, как показывает опыт, предельная овальность шеек устанавливается главным образом из соображений обеспечения требуемого запаса прочности коленчатого вала.
Зона контакта в сопряжении «шейка коленчатого вала - вкладыш подшипник» описывается выражением [105] а = arccos = arccos , (1.1) ж(0,5к1+к2) 7і(у/ + 2) где 2а - угол прилегания вала к вкладышу; к1 - коэффициент износа материала вала; k2 - коэффициент износа материала вкладыша; ці= к1 / к2.
Из формулы (1.1) следует, что эпюра давлений располагается не по всей полуокружности вала, причем угол контакта зависит от соотношения коэффициентов износов материалов трущейся пары ці и не зависит от численных значений износа вала и вкладыша [105]. В случае, когда вал имеет износостойкость больше, чем вкладыша угол 2а будет близким к 180. Когда вкладыш имеет износостойкость больше чем вала, то угол будет значительно меньше 180. Например, при ці = 3 получим 2а = 135, т. е. с точки зрения контакта в паре трения создаются худшие условия для трения при граничной смазке.
Таким образом, для повышения долговечности и улучшения условий эксплуатации подшипников коленчатых валов дизелей необходимо: - повышать износостойкость шеек валов; - обеспечивать более высокую износостойкость шеек по сравнению с износостойкостью антифрикционного слоя вкладышей подшипников скольжения.
Приобретать новые коленчатые валы взамен изношенных экономически нецелесообразно из-за их высокой стоимости. Решение проблемы ресурсосбережения требует применения прогрессивных и высокотехнологичных методов восстановления и упрочнения изношенных поверхностей коленчатых валов. Для восстановления коленчатых валов судовых дизелей применяют три технологические схемы: – шлифование шеек на ремонтный размер; – шлифование шеек на ремонтный размер с последующим упрочнением; – нанесение покрытия для восстановления номинального размера шеек с последующим или одновременным упрочнением.
Коленчатые валы судовых дизелей, восстановленные, в основном, методом ремонтных размеров или различными способами нанесения металлопокрытий на изношенные поверхности шеек по надежности не отвечают требованиям нормативно-технической документации. Это связано с тем, что перед восстановлением коленчатого вала не выявляется уровень накопленных повреждений в процессе предыдущей эксплуатации и комплексно не оценивается его качество после восстановления. Поэтому разработка и использование эффективной технологии восстановления коленчатых валов судовых дизелей связано с оценкой долговечности, что является актуальной задачей ремонтного производства.
Методика использования регрессионного анализа и планирования экспериментов
Выбранные режимы испытаний характерны для работы подшипников скольжения коленчатых валов СОД и соответствуют нагрузкам в моменты пуска и остановки двигателя, т. е. когда наблюдается режим трения при граничной смазке. Коэффициент трения и величина износа в условия граничной смазки определяются в большей степени триботехническими свойствами подшипникового материала. При переходе к полужидкостной и жидкостной смазке, т. е. когда поверхности шейки вала и вкладыша разделены слоем смазки, влияние материала подшипника на процессы, протекающие в подшипнике, пренебрежительно мало.
Определение нагрузки схватывания осуществлялось при появлении признаков схватывания (кратковременное резкое увеличение момента силы трения) или задира (при появлении задиров на рабочих поверхностях трения испытываемых образцов наблюдается резкое увеличение момента силы трения, возникновение шума и вибрации). Нагрузка схватывания или задира фиксируется.
Модифицирование поверхности вращающегося образца минеральными и орга-номинеральными материалами осуществляли фрикционным методом по технологии, приведенной в п. 4.2 и 4.3. Износ образцов можно определить двумя способами: весовым и размерным. С помощью весового способа находится изменение массы образца из выражения AМ = М1 - М2, где М1 и М2 — массы образца до и после испытаний, мг.
Перед взвешиванием образец тщательно промывается в этиловом спирте, а затем просушивается. Взвешивание проводится на лабораторных весах с ценой деления 0,1 мг марки AUW 220D фирмы Shimadzu (Япония). С помощью размерного способа находится изменение диаметра роликового образца из выражения Ad = d1 - d2, где d1 и d2 — диаметры образца до и после испытаний, мкм. Температуру в зоне фрикционного контакта определяли с помощью инфракрасного пирометра Optris Mimisight (Германия) с точностью + 1 С в диапазоне от 0 до 420 С. Измерение диаметров роликового образца (после его промывки и просушки) проводили с помощью рычажной скобы модели 01102 фирмы ООО «НПФ Завод «Измерон» (г. Санкт-Петербург) с ценой деления 0,001 мм.
Измерение толщины элемента вкладыша подшипника (после его промывки и просушки) проводили с помощью микрометра японской фирмы «Mitutoyo» модели BMD-25DM с электронной индикацией результата на табло с ценой деления 0,001 мм.
В процессе проведения испытаний велся протокол испытаний, в котором отражали следующие положения: – марка материалов сопряженных образцов или покрытий, необходимые механические свойства (твердость, модуль Юнга и др.); – режим испытаний (нормальная нагрузка, частота вращения ролика, время испытаний); – температура фрикционного разогрева в зоне трибоконтакта на каждом этапе испытаний; – маркировка испытываемых образцов; – величины масс образцов до и после испытаний; – величины износа (весового и размерного) образцов после испытаний; – величины суммарных износов (весового и размерного) образцов; – время начала и конца каждого испытания; – нагрузка схватывания или задира. При всех испытаниях на износостойкость покрытий повторность опытов принимали равную трем.
Методика исследования механических свойств покрытий на макро- и наноуровне
Испытания на твердость незакаленной стали проводили по Бринеллю шариком 10 мм при нагрузке 30 кН, закаленных образцов по Роквеллу алмазным конусом с общей нагрузкой 1,5 кН. Для определения механических свойств покрытий с целью изучения их влияния на триботехнические свойства практически единственным универсальным инструментом является наноиндентирование [26]. Установлена связь физико-химических свойств твердых тел и покрытий с наноструктурой [26, 27]. Для исследования механических свойств покрытий на наноуровне использовали ультра-микротестер для динамических испытаний твердости материалов DUH-211S фирмы Shimadzu (Япония). Прибор предназначен для измерения твердости Н, модуля упругости Е и упругого восстановления We по методу наноиндентирования. Испытания соответствуют стандарту ISO 14577-4. В процессе измерений снимается кривая нагружение–разгрузка (рисунок 2.5), которая в дальнейшем обрабатывается по методу Оливера-Фарра [58, 129].
При наноиндентировании характерно наличие небольшой пластической деформации при значительной упругой. При этом твердость часто достигает теоретического предела прочности поверхностного слоя на сдвиг или близка к нему. Причем эта область соответствует глубине проникновения индентора от долей нанометра до десятков, а в некоторых случаях — и сотен нанометров [26, 57, 129].
Известно, что нанотвердость [26, 27, 57, 129] зависит от величины нагрузки на инденторе при глубине отпечатка менее 100 нм. При этом более высокие значения нанотвердости соответствуют малым нагрузкам, а с увеличением нагрузки на инден-тор величина нанотвердости монотонно уменьшается и при глубине отпечатка свыше 100 нм стабилизируется. Так как толщина композиционного покрытия при модифицировании стали минеральными и органоминеральными материалами составляет около 3 мкм, оптимальная глубина отпечатка для получения объективной информации о механических свойствах покрытия должна быть примерно 100 нм. Ультрамикротестер позволяет производить измерения твердости при заданной глубине отпечатка. Прибор DUH-211S позволяет определять максимальную глубину отпечатка при максимальной нагрузке, которая является суммой нескольких слагаемых – глубины остаточного отпечатка после снятия нагрузки и величина упругого восстановления или глубины остаточного отпечатка при максимальной нагрузке на индентор и величины упругого прогиба поверхности образца (рисунок 2.5).
Особенности изнашивания шеек коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей
Для повышения надежности, безопасности эксплуатации, экономичности дизеля необходимо развивать методы многопараметрической диагностики, состояния, дефектоскопию узлов трения. Глубокое изучение механизмов возникновения и кинетики развития отказов, обеспечение систематического регистрирования, накопления фактического материала, выявление причин отказов должны сочетаться с перспективным технологическим обеспечением упрочнения шеек коленчатых валов и учитываться при эксплуатации.
Природа каждого отказа – задира, износа, образования рисок и царапин на шейках, биение шеек вала в большинстве случаев не одинакова. При этом причины возникновения однотипных отказов могут быть различными.
Следует иметь в виду, что вероятность возникновения функциональных отказов в сложных эксплуатационных условиях (например, буксировочные операции, переходные режимы, малый ход и т.д.) может возрастать в несколько раз по сравнению с работой дизеля на номинальных оборотах при постоянной нагрузке или лабораторными условиями эксплуатации. Для учета указанных обстоятельств необходимо рассчитывать показатели долговечности с учетом особенностей предполагаемых условий эксплуатации дизеля.
Большинство отказов коленчатых валов обусловлено износом или задиром шеек, поэтому ускорение износа в процессе триботехнических испытаний на машине трения достигается непрерывной работой испытываемых образцов в условиях трения при граничной смазке и повышенном уровне нагрузки для получения в течение нескольких часов такого же эффекта, как в течение нескольких лет нормальной эксплуатации трибосопряжения «шейка вала – вкладыш подшипника» дизеля. При триботехнических испытаниях пар трения перспективным методом ускорения износа и выявления ранних отказов является применение многочисленных циклов включение – выключение с временем включенного состояния, достаточным для нагревания образцов. Хотя бы один выход определяющего параметра X за область допустимых значений Y означает появление функционального отказа сопряжения.
Очевидно, что задача повышения надежности коленчатых валов может быть решена лишь технологически путем создания металлокерамических покрытий на шейках вала для повышения триботехнических свойств сопряжения «шейка вала – вкладыш». Получить износостойкое покрытие можно модифицированием шеек вала композициями на основе минеральных или органоминеральных материалов (например, природных силикатов, имеющих слоистую структуру со слабой связью между слоями, которая облегчает сдвиг между ними, и избежать схватывания металлов вала и вкладыша в условиях трения при граничной смазке). Для повышения триботехнических характеристик и получения требуемых структурных и механических свойств тонкопленочных покрытий силикаты дополнительно модифицируют природными полисахаридами [74]. В этом случае даже при умеренном повышении триботехнических характеристик пары трения вероятность отказов коленчатых валов двигателей может быть существенно снижена.
Разрыв смазочного слоя, приводящий к режиму трения при граничной смазке и далее к явлениям задира и заедания, можно компенсировать наличием тонкопленочного износостойкого покрытия на шейках вала, обладающего низким коэффициентом трения в условиях трения при дефиците смазки в зоне трения.
Сложность решения проблемы обеспечения заданной долговечности три-босопряжения заключается в необходимости учета взаимозависимых параметров комплекса «технология – подшипник коленчатого вала – эксплуатация». Случайный характер изменения технологических и эксплуатационных факторов обуславливает сложность оценки параметров материала в процессе форми
рования, невозможность в большинстве случаев предусмотреть необходимые корректирующие воздействия для избежания их отклонений, а также учесть структурно-механические изменения в поверхностном слое материала в процессе технической эксплуатации.
Особенность проблемы в том, что важен не только факт достижения заданного уровня параметров материала, но и то, в каких пределах они могут изменяться, не нарушая несущей способности материала поверхностных слоев деталей сопряжения, как выбирать оптимальные интервалы их значений, чтобы обеспечить заданную долговечность восстановленных деталей.
Важной частью решения этой проблемы является разработка научно-практического аппарата, позволяющего проектировать технологию восстановления и упрочнения шеек коленчатых валов, обеспечивающую заданную долговечность при приемлемой стоимости.
Проблему обеспечения заданной долговечности коленчатых валов судовых дизелей решали на основе применения системного анализа [76, 128]. С позиции теории управления коленчатый вал представляет собой в системе «технология -подшипник коленчатого вала - эксплуатация» объект исследования (рисунок 3.4), в который входят следующие блоки: входные параметры; процессы, происходящие в трибосистеме, и выходные параметры. Входные параметры поделены на три категории - технологические, эксплуатационные и помехи. Такое разделение позволяет в явном виде выделить влияние технологических параметров на трущиеся элементы системы. Входные эксплуатационные параметры системы образуют блок, характеризуемый с помощью параметров движения и приложенных к узлу трения сил
Выбор оптимальных параметров модифицирования шейки вала металлосилоксановыми полимерами, минеральными и органоминеральными материалами
На морских судах установлены среднеоборотные дизели (СОД) в качестве главных и вспомогательных двигателей, имеющих коленчатые валы с твердостью шеек в интервале от 164 НВ до 58 HRC, и укомплектованные различными типами вкладышей подшипников.
Сравнительные триботехнические испытания образцов из стали 45 различной твердости и элементов натурных вкладышей подшипников с различными типами антифрикционных покрытий были проведены по методике п. 2.2.
Основной целью проведения сравнительных триботехнических испытаний являлась оценка фрикционной совместимости шеек коленчатых валов с различной твердостью и вкладышей подшипников с различными типами антифрикционных покрытий и методами их нанесения, используемых в СОД. Совместимость оценивали по трибостойкости узла, т. е. способности данного сочетания материалов обеспечивать при переходных режимах работы приемлемо малые и стабильные значения сил трения, интенсивности изнашивания и вероятности заедания в заданном диапазоне рабочих давлений, скоростей и температур.
Образцы изготавливали из стали 45 без дополнительной термообработки, их твердость была 212±10 НВ, часть образцов подвергали закалке с последующим отпуском для получения величин твердости 44±1 HRC и 54±1 HRC. В качестве неподвижного образца использовалась колодка, изготовленная из вкладышей подшипников СОД с различными антифрикционными покрытиями.
Наиболее широкое распространение у СОД, работающих на дистиллятных сортах топлива, получили трехслойные стале-бронзово-PbSnCu вкладыши с гальваническим антифрикционным слоем из свинцово-оловянного сплава PbSn18Cu2 (коды вкладышей 03, 13, 23, 75, 81, 303, 329). СОД, работающие на тяжелых сортах топлива, укомплектованы преимущественно вкладышами с напыленным ан 94 тифрикционным слоем из сплава АО20 (Miba 34, 36, 37) и современными канав-чатыми трехслойными стале-алюминиево-PbSnCu вкладышами (Rillenlager) (коды вкладышей 24, 26, 33, 336) [71].
Сравнительные триботехнические испытания пары трения «вал – вкладыш» при различных величинах твердости вала и материала антифрикционного слоя вкладыша (таблица 4.1. и рисунок 4.1) позволили установить, что износостойкость напыленного сплава АО20 наибольшая среди исследуемых антифрикционных покрытий. Наименьшую износостойкость имеют вкладыши с гальваническим антифрикционным покрытием. Современные вкладыши с покрытием Rillenlager (Miba 33) занимают по износостойкости промежуточное положение между гальваническими и напыленными сплавом АО20. При этом износ стального образца при любой твердости наименьший при использовании вкладышей с гальваническим антифрикционным покрытием, наибольший — у вкладышей с покрытием Rillenlager. Суммарный износ сопряжения «шейка вала – вкладыш подшипника» наименьший при использовании вкладышей с напыленным антифрикционным сплавом АО20. Скорость изнашивания стали 45 и материала вкладышей по мере снижения твердости вала возрастает.
Следует отметить, что вкладыши с гальваническим антифрикционным слоем из свинцово-оловянного сплава PbSn18Cu2 в условиях трения при граничной или полужидкостной смазках обладают низкой долговечностью из-за малой его толщины (0,02–0,04 мм). После изнашивания гальванического слоя шейка вала скользит по среднему слою из бронзы (Z30 (БрС30) или CuPb22Sn), т. е. подшипник работает в паре трения «сталь–бронза», которая характеризуется более высокими величинами коэффициента трения, температуры в зоне трения и скорости изнашивания шейки коленчатого вала.
Наиболее низкий коэффициент трения в случаях, когда сталь подвергнута закалке, обеспечивают вкладыши №33 (Rillenlager).
В парах трения с образцами из незакаленной стали наиболее высокие трибо-технические свойства обеспечивают вкладыши с гальваническим антифрикционным слоем из свинцово-оловянного сплава PbSn18Cu2. Таблица 4.1 – Результаты сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал – вкладыш» при различных величинах твердости вала и материала антифрикционного слоя вкладыша
Таким образом, для пары трения «незакаленная сталь–вкладыш подшипника» по триботехническим свойствам предпочтительными являются вкладыши с гальваническим антифрикционным слоем из свинцово-оловянного сплава PbSn18Cu2, однако они характеризуются низким ресурсом вследствие малой толщины гальванического слоя (0,02–0,04 мм) и низкой износостойкости. При нагрузке 200 Н в течение 1 ч антифрикционный гальванический слой полностью изнашивается и подшипник к концу испытаний начинает работать в паре трения «сталь–бронза». Для валов с закаленными шейками наилучшие триботехнические свойства и долговечность пары трения обеспечивают вкладыши с напыленным антифрикционным слоем материалом АО20.
